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CN1771401A - 活塞系统和设有该活塞系统的活塞－气缸装置 - Google Patents

活塞系统和设有该活塞系统的活塞－气缸装置 Download PDF

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CN1771401A
CN1771401A CNA2004800095260A CN200480009526A CN1771401A CN 1771401 A CN1771401 A CN 1771401A CN A2004800095260 A CNA2004800095260 A CN A2004800095260A CN 200480009526 A CN200480009526 A CN 200480009526A CN 1771401 A CN1771401 A CN 1771401A
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China
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piston
cylinder
radial
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CNA2004800095260A
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维尔弗里德·吉林
贝内迪克特·奥利格
欧文·米歇尔斯
赫伯·施泰因霍伊尔
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ZF Active Safety GmbH
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Lucas Automotive GmbH
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Abstract

本发明涉及一种用于车辆制动系统的活塞系统(10)，尤其涉及用于所述车辆制动系统的踏板模拟设备。本发明的活塞系统包括：沿着纵向轴向(A)延伸的杆(12)和形成在该活塞杆(12)上且沿着径向方向延伸的活塞盘(14)。所述活塞盘(14)包括设有径向凹槽(24)的径向外部区域(16)，该外部区域向外侧打开并且容纳或可容纳密封件(26)。根据所述发明，所述密封件由一柔性密封环(26)构成，它可以或能够以轴向间隙(a)和径向间隙(r)插入到所述径向凹槽(24)中。所述密封环(26)的外径(DR)大于设有至少一个通向径向凹槽(24)的通气孔(28)的所述活塞盘(14)的外径(DR)。

Description

活塞系统和设有该活塞系统的活塞-气缸装置
技术领域
本发明涉及一种尤其用于车辆制动系统的踏板模拟设备的活塞装置。
背景技术
在近年来所设计的车辆制动系统中，通常以电子的方式测量施加在制动踏板上的踏板致动力并且根据所测量的踏板致动力来控制制动系统。
该原理例如用在电液或机电制动系统中。然而，为了能够从传统的车辆制动系统将机动车驾驶员所熟悉的制动踏板的阻力响应传送给他，采用了踏板模拟设备，该设备例如通过渐进特性曲线来模拟踏板阻力。这些踏板模拟设备通常由用于产生阻力的弹簧元件来实现。另外，这些踏板模拟设备往往设有气动阻尼器，气动阻尼器能够影响制动踏板的阻力响应和复位性能。为了实现这些阻尼设备，在相应的气缸内密封地引导初始所述类型的活塞装置的活塞盘。在活塞盘的两侧上形成有工作腔室，其中容纳在其中的流体在制动踏板致动期间移动。该移动可以例如通过节流阀等阻尼，结果直接影响制动踏板的阻力响应。但是已经发现，为了实现这些阻尼设备，需要各种部件，例如节流阀装置或止回阀，它们按照偶尔费力的方式如此设置，从而它们使布置在活塞盘的任一侧上的两个工作腔室相互流体连通。这导致踏板模拟设备的设计相对复杂，因此导致制造成本不希望地增加。另外，由于所使用零部件的数量增加，因此也容易增大制动系统的磨损和维护费用。
从DE 295 18 171U1中已知一种用于打开机动车的贮物箱的打开机构的活塞/气缸结构，其活塞装置包括一活塞杆和形成在活塞杆上的径向延伸的活塞盘，其中活塞盘具有向外打开的径向凹槽，在该凹槽中容纳有一O形环。该O形环可以在径向凹槽内沿着轴向运动，同时沿着径向方向固定抵靠在径向凹槽中。该径向凹槽由轴向狭缝穿过，其横截面积沿着轴向变化。根据O形环在径向凹槽内的轴向位置，该O形环包围在轴向狭缝处的特定节流开口，从而依靠O形环的轴向位置，可以通过该结构实现不同的节流效果。但是，在O形环的每个轴向位置中都存在节流效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种初始所述类型的活塞装置以及设有这种活塞装置的活塞/气缸结构，该结构保证了可靠的操作模式同时结构简单而经济。
该目的通过具有权利要求1的特征的尤其用于车辆制动系统的踏板模拟设备的活塞装置来实现。
如果将根据本发明的活塞装置插入到相应的气缸结构中，则柔性密封环坐靠在气缸的内壁上。因为其相对于活塞盘过大的尺寸并且因为在径向凹槽内的轴向和径向间隙，所以密封环可在径向凹槽中变形，从而因此通过通向径向凹槽的至少一个通气孔和通过径向凹槽甚至在位于活塞盘的任一侧上的轴向腔室之间形成流体连通。因此，密封环在径向凹槽内的变形具有这样的作用，即在其中活塞装置和气缸之间不存在任何相对运动的静止状态中，变形的密封环在其整个周边上不以密封的方式抵靠在气缸内壁以及径向凹槽的侧面上。相反，非抵靠区域升高，然后在这种静止状态中允许流体从中穿过。变形程度取决于径向凹槽的宽度和密封环的尺寸，尤其取决于其轴向间隙以及密封环相对于气缸直径的过大尺寸。该密封环即使在活塞装置在气缸内进行非常缓慢运动的情况下也保持其变形形状。
但是如果活塞装置在气缸内足够快速地运动，则由于在密封环和气缸内壁之间的摩擦作用，由于密封环的惯性并且由于在活塞盘的两侧上增大的压力差，因此这导致密封环能够通过稍微变形并且利用在径向凹槽中的轴向和径向间隙运动成密封抵靠在气缸内壁和径向凹槽相对该运动的后侧面上。
在该方面中，应该注意的是，密封环因为该密封环的轴向间隙和变形而只具有较低的径向张力，因此可以使密封环相对于气缸内壁的静态摩擦保持相对较低。因此，它也只以相对较低的径向力压在气缸内壁上。这还解释了在活塞装置缓慢运动情况下的尺寸稳定性。但是，在活塞装置足够快速地运动时，静态摩擦和密封环的惯性足以使密封环运动成在其整个周边上抵靠在气缸内壁和径向凹槽的后侧面上。一旦已经达到该抵靠状态，则由于进一步运动而导致的在这两个工作腔室之间的压力差具有这样的作用，即密封环更强有力地压靠在气缸内壁和径向凹槽的后侧面上。在所述情况下，密封环变形，这加强了密封效果。
在本发明的该基本形式中，在抵靠状态中防止了在活塞盘的任一侧上的两个工作腔室之间通过至少一个通向径向凹槽中的通气孔流体连通。根据本发明的具有简单结构部件的活塞装置使得能够实现可靠操作的阀门。如果适当地布置通气孔，则根据本发明的活塞装置还可以实现止回阀，根据上述说明，该止回阀在活塞装置足够快速地运动的情况下允许流体只沿着预定方向通过而防止流体沿着另一方向通过。
在本发明的改进方案中，所述径向凹槽由活塞盘的、在包含轴线的截面中看为U形的外部区域形成。该措施允许密封环牢固地保持在径向凹槽中。这还保证径向凹槽的限定定位表面即侧面能够用于密封抵靠。
对于至少一个通气孔，在本发明的实施例中，通气孔沿着大致径向方向延伸穿过在包含轴线的截面中看为U形的外部区域的横向翼。换句话说，所述至少一个通气孔为一径向孔，用来使活塞装置的一侧与径向凹槽的内部连接。选择通气孔从哪一侧面开始对于用作止回阀来说至关重要。可选的是，可以设置多个通气孔，它们沿着径向和/或轴向延伸到径向凹槽中。因此，例如侧面可以被多次穿孔或者可以为笼形设计。
本发明的改进方案设有至少一个节流装置，它允许在活塞盘的两个轴向侧之间流体连通。因此，除了由密封环实现的阀之外，设有根据本发明的活塞装置的踏板模拟设备的性能也会另外受到该至少一个节流装置的影响。该节流装置例如可以将活塞装置的两侧流体地但是以节流的方式相互连通。
该节流装置可以包括设在活塞盘中的节流元件。为了进一步简化根据本发明的活塞装置，该节流装置可以以一个或多个以凹槽形状的方式延伸穿过径向凹槽的节流通道的形式设置。这些节流通道以这样一种方式设置，从而它们即使在密封环抵靠在气缸内壁和后侧面上时也允许在这两个工作腔室之间流体连通。它们如此深地结合到后侧面中，从而即使在活塞装置的运动速度较高并且在两个工作腔室之间的压力差较高的情况下，它们也保持永久打开并且通过密封环材料的与变形相关的渗透来防止完全关闭。
根据本发明的活塞装置的改进方案设置了一传感器元件，尤其是磁性传感器元件，该传感器元件设置在活塞上，用来检测共同的活塞位置。因此，可以根据实际活塞位置检测出制动踏板致动并且对其进行评价。这样获得的信号例如可以用来控制其它的与制动踏板机械脱开的车辆制动系统。
为了在车辆制动系统的其它部件中或之上密封引导该活塞装置，可以在活塞杆上设置至少一个密封元件。该密封元件也可以以这样一种方式设置，从而它可以在与之相关的凹槽中变形至足够大的轴向长度(extent)。而且该活塞杆可以设有轴向通道。该轴向通道例如可以用作下游制动系统的力输入元件的引入部分例如制动力发生器等。该力输入元件也可以与活塞装置机械连接。
为了实现上述目的，本发明还涉及用于车辆制动系统尤其用于车辆制动系统的踏板模拟设备的活塞/气缸结构，它包括上述类型的活塞装置和气缸。在本发明的该方面中，气缸按照这样一种方式容纳活塞装置，从而活塞盘使第一工作腔室与第二工作腔室分开，其中柔性密封环以这样一种方式与气缸的内壁相互作用，从而在活塞装置和气缸的静止位置中，密封环相对于与纵向轴线垂直的径向平面变形，并且一旦在活塞装置和气缸之间沿着轴向发生相对运动，则运动成密封抵靠在气缸的内壁以及径向凹槽的侧面上，前提是后者没有任何节流通道。
如上面已经参照活塞装置大致所述一样，密封环相对于气缸内壁以及径向凹槽的过大尺寸导致密封环在静止状态中即在活塞装置和气缸没有相对于彼此运动时变形。但是，一旦活塞装置在气缸内运动，则在气缸内壁和密封环之间出现的摩擦作用、密封环的惯性以及在两个工作腔室之间不断增大的压力差使得密封环在径向凹槽内变形并且运动成抵靠径向凹槽的侧面并与其密封接触。所述侧面在该情况下为径向凹槽相对于活塞装置和气缸的相应相对运动的后侧面。如果在相对运动结束时活塞装置再次保持在相对于气缸的特定位置中，则密封环任选地只在一段时间之后和在例如通过节流装置抑制了在两个工作腔室之间的压力差之后可以在径向凹槽内变形，从而可以通过通向径向凹槽中的至少一个通气孔恢复在两个工作腔室之间的流体接触。
密封环和径向凹槽的尺寸以这样一种方式设定，从而密封环在活塞盘和气缸之间出现相对运动时沿着径向向内方向利用在径向凹槽中可用的间隙变形。但是这种沿着径向向内方向的变形不会通过径向或轴向变形出现，而仅以这样一种方式出现，即密封环沿着径向向内方向稍微屈服，其中它与任选设置的节流通道分开地通过其整个周边协调地压靠在气缸的内壁上。
在根据本发明的活塞/气缸结构的改进方案中，第一和第二工作腔室通过另外的流体系统相互流体连通。该流体系统可以包括一节流元件。该流体系统可以单独形成。但是，在一优选方式中，其例如通过节流元件或者通过节流通道而形成在活塞装置尤其是活塞盘的区域中，该节流元件布置在沿着轴向延伸穿过活塞盘的通孔中。
除了密封功能和/或阀功能之外，具有容纳在径向凹槽中的密封环的活塞装置的径向外部区域在活塞装置在气缸内运动期间还执行引导功能。为了进一步提高活塞装置在气缸中的引导精度，本发明的一种结构形式设置成活塞杆在气缸的引导衬套中沿着轴向引导。
如上所述，活塞装置可以用来通过传感器元件检测制动踏板致动。根据本发明的活塞/气缸结构的改进方案因此设置成在气缸上设有一互补传感器元件，通过它来检测活塞装置相对于气缸的实际位置，可以检测出传感器元件的实际位置。
本发明还涉及一种用于车辆制动系统的踏板模拟装置，该装置设有上述类型的活塞/气缸结构，尤其是上述类型的活塞装置。
附图说明
下面将参照附图以实施例的方式对本发明进行说明。这些附图显示出：
图1为根据本发明的活塞装置的立体图；
图2为根据本发明的活塞装置沿着图1的剖面线II-II剖取的纵向剖视图；以及
图3为根据本发明的车辆制动系统的局部剖视图。
具体实施方式
在图1至3中，根据本发明的活塞装置大体上由10表示。它包括活塞杆12和形成在该活塞杆12上并且基本上沿着径向方向从其延伸的活塞盘14。
尤其从图2中可以看出，该活塞盘14在纵向剖面中看具有多次弯曲形状，并且在其径向外部区域中设有一U形部分16。该U形部分在包含有纵向轴线A的截面中包括两个径向延伸的径向翼18和20，它们通过与纵向轴线A平行延伸的横向翼22相互连接。径向翼18和20以及横向翼22形成一径向凹槽24，它围绕着纵向轴线A沿着周边方向延伸并且其中容纳有一密封环26。该密封环26以轴向间隙a和径向间隙r容纳在径向凹槽24中。它由橡胶弹性材料形成并且能够弹性变形。其外径DR大于活塞盘的外径DK。
多个径向孔28延伸穿过横向翼22的在剖视图中所述的材料区域，这些孔围绕纵向轴线A沿着周边方向分布，并且使在图2中活塞盘14的左侧与径向凹槽24的内部流体连通。
还设有一节流元件30(参见图1)，它容纳在活塞盘14内的轴向通孔中并且在图1和2中的活塞盘的左右侧之间形成流体连通，但是具有明显减小的流体有效直径。
该图还显示出一磁性传感器元件32，它通过两个螺栓34和36紧固在活塞盘14上，这些螺栓的螺纹相互接合。该传感器元件32用来检测活塞装置10的实际位置。
最后，从图2中可以看出，在活塞杆12上远离活塞盘14的区域中布置有密封部件38。由于这些环形转动部件也通过轴向间隙容纳在与之相关的圆周凹槽中，因为可能轴向变形并且导致径向张力减小，所以它们具有低摩擦性能并且仍然具有密封效果。而且，力传递元件40在图2中的右端处拧入到活塞装置10中。该力传递元件40设置用于将由制动踏板(未示出)产生出的制动力传递给在图3中所示的下游制动系统。可以通过在42处所示的结构以阻尼的方式将制动力引入到制动系统中。
在踏板模拟设备设有活塞/气缸结构的情况下，参照图3的视图描述根据本发明的活塞装置的安装情况和操作。在该附图中，示意性地显示出的根据本发明的活塞装置10在壳体46中被可移动地沿着纵向轴线A的方向引导。该壳体46包括包围圆柱形空腔48的气缸50和容纳活塞装置10的杆部12的引导衬套52。
在图3中仅部分示出的该制动系统的其它部件将不进行详细说明，因为它们在与气缸50相互作用的活塞装置10的操作模式上没有任何作用。
密封环26的外径DR与气缸50的内径DZ相比尺寸过大。在图3所示的位置中，其中活塞装置10最初不相对于气缸50运动，密封环26的该过大尺寸导致沿着轴向的变形，如例如在图2中所示。这意味着密封环26在垂直于纵轴线A的平面上没有通过例如特定的长纤维例(benchfibre)如中央纤维(central fibre)Z，而是该中央纤维Z多次相对于与纵向轴线A垂直的平面改变其取向。因此，在活塞装置10和气缸50的闲置位置中，该密封环26在径向凹槽24内以起伏的方式延伸，且连续协调地抵靠在气缸50的内壁上。该起伏过程是可能的，因为密封环26以径向间隙r和轴向间隙a容纳在径向凹槽24内，如已经参照图2所述。由于可沿着轴向变形，密封环26在装配状态中具有相对较低的径向张力，因此在静止状态中在气缸50的内壁上只施加较低的径向力。在密封环26和气缸50的内壁之间出现的静态滑动摩擦因此也相对较低。
因此，在快速踏板致动的情况下，因为通过制动踏板借助于力输入元件54而在力传递元件40上施加足够高的制动致动力，所以活塞装置10由于力传递元件40和活塞杆12的机械结合而在壳体46内移动。同时，活塞盘也以相应的方式沿着纵向轴线A的方向运动。但是，在其周边上封闭但以起伏形状压靠在气缸50内壁上的密封环26在该运动开始时尽可能保持其位置，这是因为它与气缸50的内壁静态摩擦接合以及因为其惯性。因此，在活塞14沿着轴向根据箭头P运动时，密封环最终运动成使其整个周边都抵靠在纵向截面为U形的部分16的径向翼20的左侧面(在图3中)上。该侧面在活塞装置10沿着箭头P的方向运动期间被描述为径向凹槽24的后侧面。密封环26抵靠气缸50的内壁以及径向翼20上在所有情况下都为密封抵靠。密封环26由于其过大尺寸而沿着径向向内方向稍微变形，但是不再具有起伏形状。由于密封环26密封抵靠在气缸50的内壁和径向翼20，因此活塞盘14在气缸50内被密封地引导。在气缸50中包围至活塞盘14的左右侧的两个腔室56和58因此而密封地彼此分开。
活塞装置10根据箭头P沿着轴向的进一步运动导致在工作腔室58中形成真空，并且在工作腔室56中形成高于大气压的压力。该高于大气压的压力也导致密封环26被更强有力地挤压成与气缸50的内壁和径向凹槽24的后侧面抵靠，这进一步提高了其密封作用。由于形成了真空，所以驾驶员通过在制动踏板处的力输入元件54感测到的阻力增大。为了影响该阻力，通过节流装置30以节流的方式将来自工作腔室56的流体传送给工作腔室58。
一旦松开制动踏板，具有活塞盘14的活塞装置10在复位弹簧(未详细显示出)的作用下按照箭头Q运动回到其初始位置。在该过程期间，也产生了上述的效果，即密封环26在静态摩擦的作用下在径向凹槽24内移动直到密封环26抵靠形成在翼18上的径向凹槽的侧面。但是，该效果不会导致工作腔室56与工作腔室58隔绝，因为来自腔室58的流体可以通过径向凹槽24和轴向孔28经过径向翼20的径向外缘流进腔室56，从而可以实现压力平衡。按照箭头Q进行的复位运动因此可以更快速地进行，并且与活塞装置10按照箭头P的运动相比阻尼更小。密封环26与径向凹槽24以及翼18和20配合执行止回阀的功能，它沿着运动方向P密封地阻断并且允许流体在这两个工作腔室56和58之间沿着运动方向Q流动。
另外应该指出的是，在气缸50的外侧上设有一传感器装置60，它同样沿着纵向轴线A的方向延伸并且与控制单元62连接以进行信号传输。传感器单元60检测在图3中未示出的传感器元件32的位置，并且将该位置传送给控制单元62。因此可以可靠地检测出踏板致动并且分配其参数。然后利用所获得的信号对车辆制动系统进行进一步控制。
另外还应该指出的是，径向翼18以及横向翼22不必由实心材料制成，而是可以设置成网格或具有多个孔。只需要径向翼20为密封环26提供定位面。
通过本发明，可以显著简化具有活塞/气缸结构的踏板模拟设备。

Claims (18)

1.活塞装置(10)，尤其用于车辆制动系统的踏板模拟设备，该装置具有沿着纵向轴线(A)的方向延伸的活塞杆(12)并且具有形成在所述活塞杆(12)上的径向延伸活塞盘(14)，其中所述活塞盘(14)具有一径向外部区域(16)，并且其中形成有一向外打开的径向凹槽(24)，其中密封部件(26)容纳或可容纳在径向凹槽(24)中，其中所述密封部件包括以轴向间隙(a)和径向间隙(r)容纳或可容纳在径向凹槽(24)中的柔性密封环(26)，并且其中密封环(26)的外径(DR)超过活塞盘(14)的外径(DK)，并且其中活塞盘(14)设有至少一个通向径向凹槽(24)的通气孔(28)。
2.如权利要求1所述的活塞装置(10)，其特征在于，所述径向凹槽(24)由在包含轴线的截面中看为U形的活塞盘(14)的外部区域(16)形成。
3.如权利要求2所述的活塞装置(10)，其特征在于，所述至少一个通气孔(28)沿着基本上径向方向延伸穿过在包含轴线的截面中看为U形的外部区域(16)的横向翼(22)。
4.如权利要求1或2所述的活塞装置，其特征在于，设有多个通气孔，它们沿着径向和/或轴向延伸到径向凹槽中。
5.如权利要求1至4中任一项所述的活塞装置(10)，其特征在于，设有至少一个节流装置(30)，该节流装置允许在活塞盘(14)的两个轴向侧(56，58)之间流体连通。
6.如权利要求5所述的活塞装置(10)，其特征在于，所述节流装置包括设在活塞盘(14)中的节流元件(30)。
7.如权利要求5或6所述的活塞装置，其特征在于，所述节流装置包括设在径向凹槽中的节流通道。
8.如前述权利要求中任一项所述的活塞装置(10)，其特征在于，设有传感器元件(32)，尤其是磁性传感器元件，用于检测实际活塞位置。
9.如前述权利要求中任一项所述的活塞装置(10)，其特征在于，在活塞杆(12)上设有至少一个密封元件(38)。
10.如权利要求9所述的活塞装置(10)，其特征在于，所述密封元件(38)以轴向间隙容纳在活塞杆(12)中，并且该密封元件(38)的外径超过活塞杆(12)的外径。
11.如前述权利要求中任一项所述的活塞装置(10)，其特征在于，所述活塞杆(12)设有轴向通道。
12.活塞/气缸结构，尤其用于车辆制动系统的踏板模拟设备，该活塞/气缸结构包括根据前述权利要求中任一项所述的活塞装置(10)和气缸(50)，该气缸以这样一种方式容纳活塞装置(10)，从而活塞盘(14)使第一工作腔室(56)与第二工作腔室(58)分开，其中所述柔性密封环(26)以这样一种方式与气缸(50)的内壁相互作用，从而在活塞装置(10)和气缸(50)的静止位置中，它相对于与纵向轴线(A)垂直的径向平面变形，并且一旦在活塞装置(10)和气缸(50)之间沿着轴向(A)出现相对运动，它运动成密封抵靠气缸(50)的内壁以及径向凹槽(24)。
13.如权利要求12所述的活塞/气缸结构，其特征在于，一旦在活塞盘(14)和气缸(50)之间出现相对运动，则密封环(26)利用在径向凹槽(24)中可用的间隙(r)沿着径向向内方向变形。
14.如权利要求12或13所述的活塞/气缸结构，其特征在于，所述第一和第二工作腔室(56，58)通过附加的流体系统相互流体连通。
15.如权利要求14所述的活塞/气缸结构，其特征在于，所述流体系统包括一节流元件(30)。
16.如权利要求12至15中任一项所述的活塞/气缸结构，其特征在于，所述活塞杆(12)在气缸(50)的引导衬套(52)中沿着轴向(A)被引导。
17.如权利要求12至16中任一项所述的活塞/气缸结构，其特征在于，在气缸(50)上设有一互补传感器元件(60)，通过该互补传感器元件可以检测传感器元件(32)的实际位置，以便检测出活塞装置(10)相对于气缸(50)的实际位置。
18.用于车辆制动系统的踏板模拟设备，它设有根据权利要求12至17中任一项所述的活塞/气缸结构。
CNA2004800095260A 2003-04-11 2004-03-31 活塞系统和设有该活塞系统的活塞－气缸装置 Pending CN1771401A (zh)

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